天然气水合物地层物理力学性质实验研究

【摘要】：在能源危机日益严峻的21世纪,天然气水合物被公认为是具有良好开发前景的重要后续能源,它储量巨大、能量密度高并且燃烧无污染。自然界中的天然气水合物主要分布在海洋的大陆边缘和陆上的永冻地区,前者大约占了己发现数量的90%。目前各国对于天然气水合物的商业开发已列入日程。确保天然气水合物地层井壁稳定是关系到钻井成功乃至整个钻探开发顺利进行的关键,而对于天然气水合物地层物理力学性质的研究是开展井壁稳定研究的基础。 本文采用自主研制的水合物沉积物三轴实验系统进行实验研究,该系统最大的优势是能够在原位状态下合成天然气水合物并进行三轴力学实验与声波实验研究。实验采用覆膜砂烧结成原状岩样,然后采用原位合方式制取不同饱和度的水合物沉积物,在不同围压条件下研究不同饱和度的水合物沉积物的力学性质,得到了水合物沉积物的力学参数与围压、饱和度的关系,研究发现随着围压、饱和度的增大峰值强度增大,内聚力随着饱和度的增大而增大,而泊松比、内摩擦角没有明显变化,并据此建立起围压、饱和度与峰值强度的定量模型;建立了水合物层强度破坏准则;为后续水合物层井壁稳定研究奠定基础。为了进行对比实验,本文同时对四氢呋喃水合物、冰沉积物按照甲烷水合物沉积物的实验方法进行了研究,发现冰、四氢呋喃水合物、甲烷水合物沉积物的力学性质差别不大。 本文对原位合成的不同饱和度的甲烷水合物沉积物、四氢呋喃水合物沉积物、冰洋沉积物在不同围压条件下进行了声波测试。根据弹性理论,利用所测得的超声波波速,计算了被测试样的动弹性力学参数,实验结果表明:纵横波速随着围压、饱和度的增大而增大,动态弹性模量随着饱和度、围压的增大而增大。本论文所得到的实验数据和结论能够为水合物层的勘探及资源评价提供依据。 【关键词】：天然气水合物沉积物 三轴实验 饱和度 弹性模量 泊松比 声学性质 围压 动弹性力学参数
【学位授予单位】：中国石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P744.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 前言9-17
• 1.1 研究目的及意义9-10
• 1.1.1 研究目的9
• 1.1.2 研究意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-14
• 1.2.1 天然气水合物及其赋存地层力学性质研究现状10-13
• 1.2.2 天然气水合物地层声波测试研究现状13-14
• 1.3 水合物层钻探过程中井壁稳定存在的问题14-15
• 1.4 论文研究内容及技术路线15-17
• 第二章 天然气水合物基础性质17-24
• 2.1 天然气水合物结构17-18
• 2.2 天然气水合物形成条件18-20
• 2.3 天然气水合物存在形式20-21
• 2.4 海底水合物稳定域21-22
• 2.5 天然气水合物的岩石物理特性22-23
• 2.6 本章小结23-24
• 第三章 水合物沉积物三轴实验系统24-42
• 3.1 设备研制动机24-28
• 3.1.1 三轴实验的重要性24-25
• 3.1.2 水合物三轴实验设备研究进展25-28
• 3.2 水合物原位合成系统研制28-29
• 3.3 水合物三轴实验机的研制29-33
• 3.3.1 水合物三轴实验机主体的构建29-31
• 3.3.2 水合物三轴实验变形传感器的研制31-33
• 3.4 水合物三轴实验机控制系统33-35
• 3.4.1 控制软件33-35
• 3.4.2 控制加载系统35
• 3.5 声波测试系统35-37
• 3.6 设备安装与调试37-39
• 3.6.1 设备主要技术参数37-38
• 3.6.2 各系统的操作与使用38-39
• 3.6.3 实验系统的测试39
• 3.7 实验系统特色39-40
• 3.8 本章小结40-42
• 第四章 水合物沉积物三轴实验研究42-98
• 4.1 水合物三轴实验42-53
• 4.1.1 水合物三轴实验岩样制备研究进展42-43
• 4.1.2 原状岩样制备43-44
• 4.1.3 原状样孔隙度的测定44-51
• 4.1.4 水合物原位合成51-52
• 4.1.5 水合物饱和度确定52-53
• 4.2 实验结果处理方法53-57
• 4.2.1 三轴实验结果处理方法53-56
• 4.2.2 声波实验结果处理方法56-57
• 4.3 不同饱和度冰样实验57-64
• 4.3.1 不同饱和度冰样三轴实验57-62
• 4.3.2 不同饱和度冰样声波实验62-64
• 4.4 不同饱和度四氢呋喃水合物试样实验64-71
• 4.4.1 不同饱和度四氢呋喃水合物试样三轴实验结果64-69
• 4.4.2 不同饱和度四氢呋喃水合物试样声波实验结果69-71
• 4.5 不同饱和度甲烷水合物试样实验71-97
• 4.5.1 不同饱和度甲烷水合物试样三轴实验结果71-89
• 4.5.2 不同饱和度甲烷水合物试样声波实验结果89-97
• 4.6 本章小结97-98
• 第五章 结论98-100
• 参考文献100-104
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果104-105
• 致谢105

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